CN115527502B - 一种基于红外感应的智能水表背光控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于红外感应的智能水表背光控制系统及方法，系统包括防尘盖、玻璃、屏蔽罩等机械结构部件，还囊括了红外线发射与接收以及背光控制的软硬件部分，通过防尘盖或指腹接触红外感应区域点亮液晶显示屏背光；针对由锂电池供电的智能水表，本发明采用了微功耗的设计方法，缩短红外线发射时间以及发射频次，为了提升感应效果，发射频次会根据接收端幅值的相对变化而发生改变；考虑到现场使用环境的复杂性以及由电子元器件、机械部件造成的红外接收信号幅值的差异性，本发明不是通过红外接收信号幅值的大小进行判断，而是根据信号幅值的相对变化量；本发明还在机械结构上优化了有效红外感应区域，降低了红外感应的误触发率。

Description

一种基于红外感应的智能水表背光控制系统及方法
技术领域
本发明涉及智能水表背光控制领域，尤其是涉及一种基于红外感应的智能水表背光控制系统及方法。
背景技术
目前，电磁水表、超声水表等智能水表的防护等级都是IP68，并且带有铅封，当智能水表安装到用户现场后，用户不能随意的打开表盖，只能通过液晶显示屏判断智能水表的运行状况。但是电磁水表、超声水表等智能水表一般安装在地面以下的深井中，光线比较阴暗，不带背光的液晶屏读数不方便；广东区域的电磁水表、超声水表等智能水表则是安装在地面以上，当太阳光直射、或者是夜晚没有光线的时候，也不利于读数。
由于电磁水表、超声水表等智能水表无法打开表盖，无法通过机械按键的形式触发背光功能，只能采用一些非接触式的方式，比如干簧管、电容触摸等方式。如附图1所示，比较常见的是通过磁铁与干簧管组成触发装置，磁铁安装在防尘盖中，当防尘盖闭合或者打开时，触发液晶背光装置，但是当防尘盖处于闭合状态时，干簧管内的机械装置会长期处于吸合状态，容易造成疲劳，影响干簧管的使用寿命；在施工过程中，带有磁铁的防尘盖容易被人破坏，造成无法触发液晶背光装置；而通过电容触摸感应触发的方式具有电路简单、成本低、耐磨损等优点，但是考虑到电磁水表、超声水表等智能水表的安装环境，比如长期浸泡在水中，会造成电容触摸区域的误触发；安装在路面的智能水表，可能长期在太阳光下暴晒，这会大大影响电容触摸功能的老化；此外由于需要通过指腹去触摸电容感应区域，无法通过防尘盖的开启与闭合点亮液晶屏背光，这操作起来相对比较繁琐。
发明内容
本发明是为了克服现有技术的智能水表带有磁铁的防尘盖容易被人破坏，造成无法触发液晶背光装置的问题，提供一种基于红外感应的智能水表背光控制系统及方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于红外感应的智能水表背光控制系统，包括防尘盖、红外发射管和红外接收管，所述红外发射管和红外接收管设于PCB板上，所述PCB板连接有背光板，所述红外发射管和红外接收管上设有屏蔽罩，所述防尘盖的内侧设有红外反射面，所述PCB板的上方设有玻璃板，所述红外发射管和红外接收管对应的玻璃板上表面形成红外感应区。本发明的一种基于红外感应的智能水表背光控制系统，红外发射管发射出红外光，当手触摸到特定的红外感应区域时，红外接收管接收经过指腹反射回来的红外光，此时红外接收放大电路会检测到幅值上的变化，通过幅值的变化进行判断是否需要驱动背光恒流电路，点亮液晶屏的背光板；本发明除了通过指腹完成红外感应的动作，还可以通过防尘盖装置完成红外感应的动作；智能水表在正常的情况下，防尘盖是盖在玻璃面板上的，红外发射管发射的红外信号通过防尘盖的反射面的反射，被红外接收管接收，这时的信号峰峰值处于一个比较高位；当用户打开防尘盖时，红外发射管发射的信号无法通过防尘盖反射到红外接收管，信号峰峰值处于一个低位；防尘盖的开关动作直接引起了红外接收端的幅值变化，继而触发背光板的恒流驱动开关，背光板被亮点；本发明可以通过防尘盖装置完成红外感应的动作，若防尘盖收到损坏，还可以通过指腹完成红外感应的动作实现点亮背光板，解决了防尘盖遭到破坏无法触发液晶背光装置的问题。
作为本发明的优选方案，所述屏蔽罩上设有开口，红外发射管发射的光线通过开口射出，经过反射后由另一个开口进入并由红外接收管接收。屏蔽罩对红外发射管和红外接收管起到屏蔽的作用，使得只有经过特定路线照射出和反射回的红外光可以被接收。
作为本发明的优选方案，所述PCB板上设有系统控制电路，所述系统控制电路包括红外发射模块和红外接收模块，所述红外发射模块和红外接收模块连接有控制模块，所述控制模块与背光板相连；所述红外发射模块包括第一开关管和第一恒流源，所述第一开关管的发射极与第一恒流源负极相连，所述第一恒流源的正极与红外发射管的正极端相连，所述红外发射管的负极端与第一开关管的集电极相连，所述第一开关管的基极与控制模块相连；所述红外接收模块包括电阻R1和A/D转换器，所述电阻R1的一端连接电源+VCC，所述电阻R1的另一端与红外接收管的正极端相连，所述红外接收管的负极端接地，所述电阻R1的另一端还与A/D转换器相连，所述A/D转换器与控制模块相连。控制模块为MCU，MCU驱动红外发射管，发射管将红外线发射至红外接收管，MCU对其进行幅值采样，最终由MCU判定是否点亮LED背光。
一种基于红外感应的智能水表背光控制方法，包括红外光的发射时序控制方法、红外光的检测方法和背光板的控制方法，所述红外光的检测方法包括指腹触发红外光的检测方法和防尘盖触发红外光的检测方法。
作为本发明的优选方案，所述红外光的发射时序控制方法包括以下步骤：S1：红外发射管发射红外光的频次为1秒/次，红外接收管对红外光进行接收并采样红外接收管的幅值；S2：计算出此次的峰峰值Vpp(n)，与上次的峰峰值Vpp(n-1)作差得到ΔV，并对ΔV进行判定：若|ΔV|＜Vm，则返回S1；若|ΔV|≥Vm，则进入S3；S3：红外发射管的红外光发射频次为50毫秒/次，红外接收管对红外光进行接收并采样红外接收管的幅值；计算出此次的峰峰值Vpp(n)，与上次的峰峰值Vpp(n-1)作差得到ΔV，并对ΔV进行判定：若|ΔV|≥Vm，则返回S1；若|ΔV|＜Vm，则进入S4；S4：判断红外发射管的红外光发射频次为50毫秒/次的持续时间是否大于5秒，若是，则返回S1；若否，则返回S3。本发明设计了两种红外激励模式，一种激励模式是每隔50毫秒发射一次红外线；而另外一种激励模式则是每隔1秒发射一次红外线，两种模式的组合可以有效降低红外发射的功耗的同时提升用户的体验感，迅速对红外感应动作做出准确的判断。
作为本发明的优选方案，所述指腹触发红外光的检测方法包括以下步骤：Q1：红外发射管发射红外光，红外接收管对红外光进行接收，A/D转换器采样红外接收管的幅值；Q2：计算出此次的峰峰值Vpp(i)，与上次的峰峰值Vpp(i-1)作差得到ΔV，并对ΔV进行判定：若ΔV＜Vm，则返回Q1；若ΔV≥Vm，则令Vt＝Vpp(i-1)，N＝0，并进入Q3；Q3：红外发射管发射红外光，红外接收管对红外光进行接收，令N＝N+1，A/D转换器采样红外接收管的幅值，计算出此次的峰峰值Vpp(i)，与Vt作差得到ΔV，并对ΔV进行判定：若ΔV≥Vm，则进入Q4；若ΔV＜Vm，则N＝N+1，并进入Q5；Q4：判断N与N2的关系，若N＞N2，则返回Q1；否则，返回执行Q3；Q5：判断N与N1的关系，若N≤N1，则返回Q1；若N＞N1，则点亮背光板，20秒后关闭背光板，返回Q1。指腹触发引起的峰值变化规律为由低到高再到低，本发明正是抓住了指腹动作的这个特点进行判断是否有红外感应发生，是否需要触发液晶背光，本发明的这种逻辑设置可以有效的避免应树叶或其他漂浮物引起的红外误触发动作，还可以避免关闭防尘盖导致红外接收端信号幅值突变引起的误判断。
作为本发明的优选方案，所述述防尘盖触发红外光的检测方法包括以下步骤：P1：令N＝0；P2：红外发射管发射红外光，红外接收管对红外光进行接收，A/D转换器采样红外接收管的幅值；P3：计算出此次的峰峰值Vpp(i)，用上次的峰峰值Vpp(i-1)与此次的峰峰值Vpp(i)作差得到ΔV，i＝i+1，并对ΔV进行判定：若ΔV＜Vm，则N＝N+1，返回P2；若ΔV≥Vm，判断N与N3的关系，若N≥N3，则令Vt＝Vpp(i-1)，N＝0，i＝i+1，并进入P4；若N＜N3，返回P1；P4：红外发射管发射红外光，红外接收管对红外光进行接收，A/D转换器采样红外接收管的幅值，计算出此次的峰峰值Vpp(i)，用Vt与此次的峰峰值Vpp(i)作差得到ΔV，并对ΔV进行判定：若ΔV≥Vm，则N＝N+1，进入P5；若ΔV＜Vm，则返回继续执行P4；P5：判断N与N4的关系，若N≤N4，返回P1；若N＞N4，则点亮背光板，20秒后关闭背光板，返回执行P1。防尘盖触发引起的峰值变化规律为由高到低，本发明正是抓住了打开防尘盖动作的这个特点进行判断是否有红外感应发生，是否需要触发液晶背光。
作为本发明的优选方案，所述背光板的控制方法包括以下步骤：M1：计算背光板电量的总时间T，根据T计算背光板消耗的总电能E背光；M2：对背光板消耗的总电能E背光进行比较判断，若E背光≥η2×E剩余电池，则进行背光储能耗光报警，并关闭背光板；若E背光＜η2×E剩余电池，则进入M3；M3：继续对背光板消耗的总电能E背光进行比较判断，若E背光≥η1×E剩余电池，则进行背光储能偏低报警，并返回执行M1；若E背光＜η1×E剩余电池，则返回执行M1。本发明会实时的计算背光板点亮的总时间，接着计算出背光消耗的总能量；根据背光消耗的总能量在锂电池剩余电量所拥有的能量占比进行判断，决定是否将背光功能关闭。
因此，本发明具有以下有益效果：本发明除了通过指腹完成红外感应的动作，还可以通过防尘盖装置完成红外感应的动作；若防尘盖收到损坏，还可以通过指腹完成红外感应的动作实现点亮背光板，解决了防尘盖遭到破坏无法触发液晶背光装置的问题；本发明设计了两种红外激励模式，一种激励模式是每隔50毫秒发射一次红外线；而另外一种激励模式则是每隔1秒发射一次红外线，两种模式的组合可以有效降低红外发射的功耗的同时提升用户的体验感，迅速对红外感应动作做出准确的判断；指腹触发引起的峰值变化规律为由低到高再到低，本发明正是抓住了指腹动作的这个特点进行判断是否有红外感应发生，是否需要触发液晶背光，本发明的这种逻辑设置可以有效的避免应树叶或其他漂浮物引起的红外误触发动作，还可以避免关闭防尘盖导致红外接收端信号幅值突变引起的误判断。
附图说明
图1是现有产品的结构示意图；
图2是本发明的产品结构示意图；
图3是本发明红外感应原理图；
图4是本发明实施例中零部件关键尺寸设计方法流程图；
图5本发明实施例中电路硬件框图；
图6是现有技术中通过施密特触发器触发的原理波形图；
图7是现有施密特触发器存在的问题的输入输出波形图；
图8是本发明实施例红外发射管与接收管的发射与接收波形图；
图9是本发明实施例中红外光的发射时序控制方法流程图；
图10是本发明实施例中指腹触发红外激励时序图；
图11是本发明实施例中防尘盖触发红外感应时序图；
图12是本发明实施例中峰值采样示意图；
图13是本发明实施例中指腹触发红外感应与防尘盖触发红外感应的峰峰值变化示意图；
图14是本发明实实施例中指腹触发红外光的检测方法流程图；
图15是本发明实施例中防尘盖触发红外光的检测方法流程图；
图16是本发明实施例中的背光板的控制方法流程图；
图17是本发明实施例中指腹触发背光板点亮的条件示意图；
图18是本发明实施例中防尘盖触发背光板点亮的条件示意图；
图19是本发明实施例中红外发射管电路图；
图20是本发明实施例中背光恒流驱动电路；
图21是本发明实施例中液晶屏与背光板的结构示意图；
图中：1、背光板光源；2、第二恒流电源；3、第二开关管；4、MCU；5、A/D转换器；6、第一恒流电源；7、第一开关管；8、第一节点；9、波形输入；10、红外发射管；11、接地端；12、红外接收管；13、第二节点；14、电阻R1；15、电源+VCC；16、波形输出；17、电阻R2；18、激励电源；19、电阻R3；20、电阻R4；21、电阻R5；31、磁铁；32、红外反射面；33、防尘盖；34、防护盖；35、玻璃板；36、显示屏；37、干簧管；38、红外感应区；41、屏蔽罩；51、背光板；52、PCB板。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
一种基于红外感应的智能水表背光控制系统，如图2所示，是本发明的产品结构图，包括防尘盖33、红外发射管10和红外接收管12，红外发射管和红外接收管设于PCB板52上，PCB板连接有背光板51，红外发射管和红外接收管上设有屏蔽罩41，防尘盖的内侧设有红外反射面32，PCB板的上方设有玻璃板35，红外发射管和红外接收管对应的玻璃板上表面形成红外感应区38；屏蔽罩上设有开口，红外发射管发射的光线通过开口射出，经过反射后由另一个开口进入并由红外接收管接收；PCB板上设有系统控制电路，系统控制电路包括红外发射模块和红外接收模块，红外发射模块和红外接收模块连接有控制模块，控制模块与背光板相连。
本发明还包括一种基于红外感应的智能水表背光控制方法，适用于上述系统，包括红外光的发射时序控制方法、红外光的检测方法和背光板的控制方法，所述红外光的检测方法包括指腹触发红外光的检测方法和防尘盖触发红外光的检测方法。
如图9所示，红外光的发射时序控制方法包括以下步骤：S1：红外发射管发射红外光的频次为1秒/次，红外接收管对红外光进行接收并采样红外接收管的幅值；S2：计算出此次的峰峰值Vpp(n)，与上次的峰峰值Vpp(n-1)作差得到ΔV，并对ΔV进行判定：若|ΔV|<Vm，则返回s1；若|ΔV|≥Vm，则进入S3；S3：红外发射管的红外光发射频次为50毫秒/次，红外接收管对红外光进行接收并采样红外接收管的幅值；计算出此次的峰峰值Vpp(n)，与上次的峰峰值Vpp(n-1)作差得到ΔV，并对ΔV进行判定：若|ΔV|≥Vm，则返回S1；若|ΔV|＜Vm，则进入S4；S4：判断红外发射管的红外光发射频次为50毫秒/次的持续时间是否大于5秒，若是，则返回S1；若否，则返回S3。
如图14所示，指腹触发红外光的检测方法包括以下步骤：Q1：红外发射管发射红外光，红外接收管对红外光进行接收，A/D转换器采样红外接收管的幅值；Q2：计算出此次的峰峰值Vpp(i)，与上次的峰值Vpp(i-1)作差得到ΔV，并对ΔV进行判定：若ΔV＜Vm，则返回Q1；若ΔV≥Vm，则令Vt＝Vpp(i-1)，N＝0，并进入Q3；Q3：红外发射管发射红外光，红外接收管对红外光进行接收，令N＝N+1，A/D转换器采样红外接收管的幅值，计算出此次的峰峰值Vpp(i)，与Vt作差得到ΔV，并对ΔV进行判定：若ΔV≥Vm，则进入Q4；若ΔV＜Vm，N＝N+1，并进入Q5；Q4：判断N与N2的关系，若N＞N2，则返回Q1；否则，返回执行Q3；Q5：判断N与N1的关系，若N≤N1，则返回Q1；若N＞N1，则点亮背光板，20秒后关闭背光板，返回Q1。
如图15所示，防尘盖触发红外光的检测方法包括以下步骤：P1：令N＝0；P2：红外发射管发射红外光，红外接收管对红外光进行接收，A/D转换器采样红外接收管的幅值；P3：计算出此次的峰峰值Vpp(i)，用上次的峰峰值Vpp(i-1)与此次的峰峰值Vpp(i)作差得到ΔV，i＝i+1，并对ΔV进行判定：若ΔV＜Vm，则N＝N+1，返回P2；若ΔV≥Vm，判断N与N3的关系，若N≥N3，则令Vt＝Vpp(i-1)，N＝0，i＝i+1，并进入P4；若N＜N3，返回P1；P4：红外发射管发射红外光，红外接收管对红外光进行接收，A/D转换器采样红外接收管的幅值，计算出此次的峰峰值Vpp(i)，用Vt与此次的峰峰值Vpp(i)作差得到ΔV，并对ΔV进行判定：若ΔV≥Vm，则N＝N+1，进入P5；若ΔV＜Vm，则返回继续执行P4；P5：判断N与N4的关系，若N≤N4，返回P1；若N＞N4，则点亮背光板，20秒后关闭背光板，返回执行P1。
如图16所示，背光板的控制方法包括以下步骤：M1：计算背光板电量的总时间T，根据T计算背光板消耗的总电能E背光；M2：对背光板消耗的总电能E背光进行比较判断，若E背光≥η2×E剩余电池，则进行背光储能耗光报警，并关闭背光板；若E背光＜η2×E剩余电池，则进入M3；M3：继续对背光板消耗的总电能E背光进行比较判断，若E背光≥η1×E剩余电池，则进行背光储能偏低报警，并返回执行M1；若E背光＜η1×E剩余电池，则返回执行M1。其中，η1为第一能耗占比，η2为第二能耗占比，E剩余电池表示电池剩余电量。
在该实施例中，如图2所示，展示了本发明实施方案中的产品机械结构图，防护盖一般为塑料材质，安装在玻璃面板上，防尘盖通过卡扣与防护盖34连接，并且可以方便的打开与关闭；玻璃面板上是留有显示屏36的视窗以及红外感应的区域，从图中可以看出，防尘盖上留有光滑的红外反射面，红外反射面刚好对准红外感应区的位置，当防尘盖打开或者关闭时，可以触发红外感应；此外，通过指腹触摸红外感应区也会触发红外感应。这种设计可以方便的为客户提供背光服务，当客户打开防尘盖时，通过红外接收端的信号判断，可以点亮液晶屏的背光，方便客户读数；当防尘盖一直打开的时候，客户也可以通过指腹激活液晶背光，客户可以方便的通过这两种方式，提升读数的准确性。
在该实施例中，如图3所示，展示了本发明实施方案的红外感应原理。红外接收管与红外发射管安装在PCB上，并通过屏蔽罩进行隔离，红外接收管与红外发射管上方安装的玻璃主要起到防护的作用；当指腹接近红外感应区时，红外发射管发射的红外线通过指腹反射至红外接收管，此时红外接收管的信号幅值会增大。当防尘盖打开时，红外发射管发射的红外线无法通过防尘盖反射到接收管，此时红外接收管的信号幅值会减小。通过对信号幅值的变化可以判断是否有红外感应的动作发生。本发明操作方式比较简单，只需要触碰玻璃即可完成红外触发，红外感应区比较靠近玻璃，在一定程度上可以避免误触发。
在该实施例中，如图4所示，是根据附图3红外发射的原理，提出了设计零部件关键尺寸的流程。设计零部件关键尺寸的方法首先确定触发红外感应引起红外接收端信号幅值变化量的大小，这个为样机最终的评定依据，借此来判断设计是否符合要求。接着根据电磁水表、超声水表等智能水表的防护等级确定玻璃的厚度；再根据外观的造型以及操作的便利性确定红外感应区域，并且在玻璃上对其进行标识；紧接着根据PCB、锂电池等组件的安装结构和显示效果设计液晶屏、红外发射管、接收管距离玻璃的高度以及红外屏蔽罩的尺寸，这些尺寸都会影响红外线的发射与接收；此时，可以根据光线的直线传播、光线的折射与发射原理，绘制红外发射管与红外接收管的重合区域；对该重合区域进行验证工作，确定指腹和防尘盖通过触发该区域能够引起红外接收端信号幅值的变化，并且确定该幅值变化是否符合设计要求；最后制作样机，测试红外感应效果，测试触发红外感应引起红外接收端信号幅值变化量的大小是否符合要求，如果不符合，那么修改上述尺寸直至符合设计要求。
在该实施例中，如图5所示，是本发明的电路硬件系统框图，红外发射模块包括第一开关管7和第一恒流电源6，第一开关管的发射极与第一恒流电源负极相连，第一恒流电源的正极与红外发射管的正极端相连，红外发射管的负极端与第一开关管的集电极相连，第一开关管的基极与控制模块相连；红外接收模块包括电阻R1(14)和A/D转换器，电阻R1的一端连接电源+VCC(15)，电阻R1的另一端与红外接收管的正极端相连，红外接收管的负极端与接地端11相连，电阻R1的另一端还与A/D转换器相连，A/D转换器与控制模块相连，背光板光源1的正极端与第二恒流电源2的正极端相连，第二恒流电源的负极端与第二开关管3的发射极相连，第二开关管的基极与MCU4相连，第二开关管的集电极与背光板光源的负极端相连；MCU驱动红外发射管，发射管将红外线发射至红外接收管，MCU对其进行幅值采样，最终由MCU判定是否点亮LED背光。第一节点8为MCU控制的信号波形输入9，第二节点13信号幅值的大小由红外接收管导通程度决定，第二节点的信号即波形输出16最终由数字AD芯片进行采样，并在MCU中运算。
目前还有通过光电感应触发的方式，通过红外感应来触发背光，这种方式要优于磁铁31与干簧管37的方式，但是如果简单的通过施密特触发器对红外接收管幅值大小进行翻转判断，这也会存在电容触摸感应所遇到的一些问题。比如树叶刚好挡住了红外感应区域，或者长期泡在水里面，水的晃动也会造成红外的误触发。此外，由于红外屏蔽罩的安装一致性问题，红外发射管与接收管批次的问题，都会造成出厂的红外按键信号强度不一样，也会造成无法触发，或者触发灵敏度等问题。传统的红外感应原理如附图6所示，红外接收信号进入比较器同相端，并与反相端固定的电压参考值进行比较，如果同相端幅值高于参考电压，那么比较器输出高电平，代表了有红外感应；但是这种固定电平的方式受环境、元器件、机械结构的影响很大；附图7则列举了传统红外感应的两种问题，左边的附图代表了在无红外感应信号的时候，施密特比较器一直在输出感应信号；右边的附图则是代表了有红外感应信号的时候，施密特比较器缺无输出信号；上述两种情况都造成了红外感应的失效。
在该实施例中，如图8所示，展示了红外发射管驱动的激励电流，本发明采用了短脉冲激励的方式，这种方式有利于降低电磁水表、超声水表等智能水表的功耗。一般激励电流的大小控制在10毫安以内，而激励时间控制在10微秒以内；图中还展示了红外接收管接收到的信号波形，图中ΔT为红外发射管的发射时间，从信号波形可以看出，激励电流从零开始上升时，信号幅值从基准线开始慢慢的上升；当激励信号由一定电流降至零时，信号的幅值达到了峰值，紧接着信号的幅值会发生慢慢下降，并且会在一段时间后低于信号基准值，最终信号恢复至基准值。
在该实施例中，如图9所示，为本发明红外发射管的激励流程图。本发明设计了两种红外激励模式，一种激励模式是每隔50毫秒发射一次红外线；而另外一种激励模式则是每隔1秒发射一次红外线。这两种模式的设置会在长时间未发生红外感应时，本发明通过降低红外激励的频次，以此来降低红外的功耗；而在接收端出现信号幅值发生相对变化量大于等于Vm时，会提高红外激励的频次，通过多次红外接收端信号幅值的判别来确定是否真的有红外感应信号的产生，以此提升红外的灵敏度，降低红外感应的误判率。所以说，这两种模式的组合可以有效降低红外发射的功耗的同时提升用户的体验感，迅速对红外感应动作做出准确的判断。
在该实施例中，如图10所示，展示的是指腹触发红外感应区域时的红外激励信号时序图，从图中可以看出，本发明在正常情况下每秒会产生一次红外激励，而当指腹解除红外感应区域时，红外接收端的幅值会迅速递增，此时相应的红外激励频次会增加至50毫秒/次；当指腹离开红外感应区域后，信号的幅值会迅速降低，此时红外激励的频次会相应的降低至1秒/次。
在该实施例中，如图11所示，展示的是防尘盖触发红外感应区域时的红外激励信号时序图，从图中可以看出，本发明在正常情况下每秒会产生一次红外激励，而当防尘盖离开红外感应区域时，红外接收端的幅值会迅速降低，此时相应的红外激励频次会增加至50毫秒/次；当在红外接收端检测到信号的幅值在5秒内都未发生变化后，本发明专利将会再次降低红外激励的频率，降低至1秒/次。对比附图10与附图11可以看出，通过指腹触发红外感应区域与通过防尘盖触发红外感应区域存在一定区别，主要表现在信号幅值的变化规律和将激励频次由50毫秒/次降低至1秒/次的条件上。造成这两个区别的主要原因是防尘盖正常情况下是处于闭合状态的，红外接收端的幅值处于高位，而防尘盖打开后，接收端的信号幅值降低，本发明还考虑了由于用户未关闭防尘盖时红外激励频次的变化策略，增加了如果5秒内接收端信号幅值为发生变化时，降低红外激励频次。
在该实施例中，如图12所示，展示了本发明对红外接收端信号的采样时序，本发明信号采样的起始点与红外激励同步，并且对信号进行等时间间隔采样，一共采样12组数据，这些数据覆盖了整个红外信号从基准值到峰值，再震荡到波谷，之后回落到信号的基准值的全过程。本发明通过对采样得到的数据进行从高到低排序，从中找出最大值与最小值，并且对其进行做差运算，这个差值就是最终此次红外激励在红外接收端产生的峰峰值，即图中采样最大值为S5，最小值为S8，则Vpp＝S5-S8。
在该实施例中，如图13所示，展示了本发明专利指腹触发红外感应区域与防尘盖触发红外感应区域的峰峰值变化规律。图中圆点表示每次红外激励后红外接收管接收到的峰峰值，序号代表了红外激励的顺序和次数。上图代表了指腹触发红外感应区域的峰峰值变化图，从图中可以看到，当指腹接触红外感应区域时，信号的峰峰值增加，当指腹离开红外感应区域时，信号的峰峰值降低；其变化规律可以总结为由低到高再到低。本发明中防尘盖触发的红外感应信号规律则是由高到低，当防尘盖闭合时，接收端的信号幅值处于高位，峰峰值比较大；而防尘盖打开后，接收端信号幅值降低，峰峰值减小。造成上述峰峰值变化规律的差异性也可以理解为是由指腹触发与防尘盖触发的动作差异性造成的。
在该实施例中，如图14所示，展示了本发明专利指腹触发红外感应区域，紧接着点亮液晶背光的流程图。正如上文所述，指腹触发引起的峰峰值变化规律为由低到高再到低，本发明正是抓住了指腹动作的这个特点进行判断是否有红外感应发生，是否需要触发液晶背光。从附图14的流程图中可以看出，当MCU发现幅值发生递增的突变，并且信号相对变化量大于等于Vm，此时进行判断，递增后的信号能否持续保持N1次激励所对应的时间，如果激励次数大于N1，此时本发明专利还需要判断是否在N2此激励来临之前，接收端的信号幅值发生递减的突变，并且信号相对变化量大于等于Vm；如果红外接收端的信号都符合上述几个条件，那么液晶显示屏的背光将被点亮，否则将不对背光进行操作。这种逻辑的判断可以很好的模拟指腹的操作动作，可以正确的判断是否是由指腹引起的红外感应动作。本发明的这种逻辑设置可以有效的避免应树叶或其他漂浮物引起的红外误触发动作，还可以避免关闭防尘盖导致红外接收端信号幅值突变引起的误判断。
在该实施例中，如图17所示，是对附图14流程图的图形化解释，从附图17可以看出，检测到信号的递增递减变化后，需要判断递增和递减的变化量是否达标，而且递增后的信号要在N1与N2之间的时间内保持信号幅值相对不变，此时才能够点亮液晶背光。本发明建议N1为20，N2为60，其对应的时间为1秒和3秒，这种时间的设置符合指腹的动作规律。
在该实施例中，如图15所示，展示了本发明防尘盖触发红外感应区域，紧接着点亮液晶背光的流程图。正如前文所述，防尘盖触发引起的峰峰值变化规律为由高到低，本发明正是抓住了打开防尘盖动作的这个特点进行判断是否有红外感应发生，是否需要触发液晶背光。从附图15中的流程图可以看出，本发明专利首先需要判断防尘盖是否处在关闭状态，如果在大于等于N3所对应的时间内，红外接收端的幅值都相对保持不变，而且紧接着信号幅值发生了骤降，并且相对变化量大于等于Vm，此时可以说明防尘盖原先处于关闭状态，再接着如果在大于等于N4所对应的时间内，红外接收端的信号幅值都相对保持不变，那么可以判断是由防尘盖触发引起的红外接收端信号的变化，并且点亮液晶屏背光。
在该实施例中，如图18所示，是对附图15流程图的图形化解释，从附图18可以看出，检测到信号递减后，还需要判断信号递减之前的一段时间内信号峰峰值是否一直处于高位，并且需要判断信号的变化量是否达标。红外接收端的信号在高位保持至少N3所对应的时间以及在低位保持至少N4所对应的时间，此时液晶屏背光才能被点亮。本发明建议N3为60，N4为40，其对应的时间为3秒和2秒，这种时间的设置可以降低误判率，同时不影响客户的体验感。
本发明通过防尘盖点亮液晶背光的方式与通过指腹点亮液晶背光的方式可以相辅相成，如果现场电磁水表、超声水表等智能水表的防尘盖处于关闭状态时，那么通过打开防尘盖，点亮液晶背光，方便客户读数，这种操作有效的提升了客户的体验感，为客户带了便利；此外，如果现场电磁水表、超声水表等智能水表的防尘盖本处于打开状态时，此时通过指腹进行点亮液晶背光将会更加的方便，客户的体验感也会更好。
在该实施例中，如图16所示，是本发明为了避免因为频繁的点亮背光引起的过多能量消耗的一种背光板的控制策略。流程图中，N为点亮背光的次数，V为背光板的供电电压，I为背光板的供电电流，η1和η2为能耗占比。本发明会实时的计算背光点亮的总时间，接着计算出背光消耗的总能量；根据背光消耗的总能量在锂电池剩余电量所拥有的能量占比进行判断。如果背光消耗总能量占比超过15％，那么本发明专利将会给出报警提示，建议客户更换电池；如果背光消耗总能量占比超过20％，为了不影响电磁水表、超声水表等智能水表的正常计量，背光功能将会被关闭。
在该实施例中，如图19所示，为本发明的红外激励电路，本发明判别红外感应是根据信号幅值的相对变化量，不是根据信号的绝对幅值，因此可以简化红外激励电路，节约设计成本，本发明专利采用激励电源18配套限流电阻与开关管组成激励电路。电阻R2(17)为限流电阻。
在该实施例中，如图20所示，为本发明采用的液晶背光恒流电路。图中电阻R3(19)、电阻R4(20)、电阻R5(21)三个电阻确定恒定电流值的大小，通过运算放大器与三极管组成的反馈电路，实时的反馈跟踪流过背光板LED的电流，使之恒定在固定值。
在该实施例中，如图21所示，为本发明液晶显示屏、液晶背光板以及PCB的机械结构图。从图中可以看出，为了增加液晶背光的显示效果，将液晶背光板放置在液晶显示屏的下方，而液晶显示屏与背光板与PCB通过引脚焊接的方式固定。
本发明基于红外感应的智能水表背光控制系统主要包括：红外发射管、红外接收管、红外发射管与接收管的屏蔽罩、表盖、透光玻璃、防尘盖、液晶屏、背光板、红外发射电路、红外接收放大采样电路、背光恒流电路及相应的软件控制方法。红外发射电路驱动红外发射管发射出红外光，当手触摸到特定的红外感应区域时，红外接收管接收经过指腹反射回来的红外光，此时红外接收放大电路会检测到幅值上的变化，通过幅值的变化进行判断是否需要驱动背光恒流电路，点亮液晶屏的背光板。
本发明的红外发射管、红外接收管、屏蔽罩安装在PCB上，玻璃与防尘盖则是安装在智能水表的外壳上。因此，本发明涉及红外发射管与接收管的相对位置、屏蔽罩的机械结构、玻璃的厚度及透光率、玻璃与屏蔽罩的距离、玻璃与防尘盖之间距离的设计，这些因素都将影响感应区域的大小以及红外感应的灵敏度；
本发明红外发射电路用于发射红外光，但是考虑到低功耗的设计，红外光的发射电流、发射时间以及发射的逻辑需要重慎重考虑。本发明中设计的红外发射电路具有发射电流小、发射时间短等特点，并且考虑到当红外接收管长期未接收到发射管发射的红外光时，红外发射电路将会进入低功耗模式；其主要特征是延迟每次发射红外光的间隔周期，当接收管接收到红外光后，发射管会迅速增加发射频率，以此快速的判断是否真的红外感应动作的发生。
本发明红外接收管的采样基本上与红外发射管发射的时间同步，当有接收到红外光时，接收管收到的信号幅值会增大，一般通过幅值的大小进行判断是否有红外感应动作的发生。本发明采用了信号幅值相对变化量的方法对红外感应动作的判断，这种方式有效的克服了红外发射管与接收管的批次问题、屏蔽罩的机械尺寸偏差以及玻璃、防尘等安装偏差导致的信号幅值差异性问题，此外，这种方式还能克服现场太阳光、遮挡物对红外感应动作的误触发。
本发明对红外接收管接收到的信号幅值相对变化量进行判断是否存在红外感应的动作，上述信号幅值的相对变化指的是红外接收管收到信号的峰值变化情况，信号峰值的增大或减小过程都可认为是红外感应动作的发生。
由于本发明专利对接收信号的幅值相对变化量进行判断，而不是判断信号幅值的绝对电压，这种方式可以简化红外发射电路，本发明的红外发射管的驱动电路无需采用恒流驱动，而是通过简单的限流电阻配套开关管完成红外发射管的驱动。
本发明通过采样信号幅值相对变化量的方法对红外感应动作的判断，对A/D转换器的精度要求就没有那么高，为了降低成本，本发明采用了MCU内部的12位高速A/D对接收管的信号进行采样。
本发明对A/D采样的信号幅值进行判断，甄别是真实的红外感应动作，还是误触发的红外感应动作，本发明/中会连续采样红外接收管的幅值，然后从中找到最高值与最小值，两个值的差值就是代表本次红外接收管得到的峰峰值电压；由于发射管会根据一定的频率连续的发射红外信号，在红外接收端也会相应的得到一连串的峰峰值电压，对比前后的峰峰值电压，我们可以得出相应的峰峰值幅值的变化，以此来判别是否有红外感应的动作。
本发明当判断出有真实的红外感应信号后，这会触发背光板的恒流驱动开关，此时背光板被亮点。为了尽可能的降低背光的能耗，本发明对背光板的点亮时间进行了限制，这个限制值可以根据现场情况自定义；此外，考虑到频繁的点亮背光会过多的消耗电池的能耗，本发明还对背光使用的总能耗进行了限制，以免造成智能水表无法正常开展计量工作。
本发明除了通过指腹完成红外感应的动作，还可以通过防尘盖装置完成红外感应的动作；智能水表在正常的情况下，防尘盖是盖在玻璃面板上的，红外发射管发射的红外信号通过防尘盖的反射，被红外接收管接收，这时的信号峰峰值处于一个比较高位；当用户打开防尘盖时，红外发射管发射的信号无法通过防尘盖反射到红外接收管，信号峰值处于一个低位；防尘盖的开关动作直接引起了红外接收端的幅值变化，继而触发背光板的恒流驱动开关，背光板被点亮。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于红外感应的智能水表背光控制方法，其特征是，包括防尘盖、红外发射管和红外接收管，红外发射管和红外接收管设于PCB板上，PCB板连接有背光板，红外发射管和红外接收管上设有屏蔽罩，防尘盖的内侧设有红外反射面，PCB板的上方设有玻璃板，红外发射管和红外接收管对应的玻璃板上表面形成红外感应区；
还包括红外光的发射时序控制方法、红外光的检测方法和背光板的控制方法，所述红外光的检测方法包括指腹触发红外光的检测方法和防尘盖触发红外光的检测方法；
红外光的发射时序控制方法包括以下步骤：
S1：红外发射管发射红外光的频次为1秒/次，红外接收管对红外光进行接收并采样红外接收管的幅值；
S2：计算出此次的峰峰值Vpp(n)，与上次的峰峰值Vpp(n-1)作差得到ΔV，并对ΔV进行判定：若|ΔV|<Vm，则返回S1；若|ΔV|≥Vm，则进入S3；
S3：红外发射管的红外光发射频次为50毫秒/次，红外接收管对红外光进行接收并采样红外接收管的幅值；计算出此次的峰峰值Vpp(n)，与上次的峰峰值Vpp(n-1)作差得到ΔV，并对ΔV进行判定：若|ΔV|≥Vm，则返回S1；若|ΔV|<Vm，则进入S4；
S4：判断红外发射管的红外光发射频次为50毫秒/次的持续时间是否大于5秒，若是，则返回S1；若否，则返回S3。
2.根据权利要求1所述的一种基于红外感应的智能水表背光控制方法，其特征是，所述指腹触发红外光的检测方法包括以下步骤：
Q1：红外发射管发射红外光，红外接收管对红外光进行接收，A/D转换器采样红外接收管的幅值；
Q2：计算出此次的峰峰值Vpp(i)，与上次的峰值Vpp(i-1)作差得到ΔV，并对ΔV进行判定：若ΔV<Vm，则返回Q1；若ΔV≥Vm，则令Vt＝Vpp(i-1)，N＝0，并进入Q3；
Q3：红外发射管发射红外光，红外接收管对红外光进行接收，令N＝N+1，A/D转换器采样红外接收管的幅值，计算出此次的峰峰值Vpp(i)，与Vt作差得到ΔV，并对ΔV进行判定：若ΔV≥Vm，则进入Q4；若ΔV<Vm，则N＝N+1，并进入Q5；
Q4：判断N与N2的关系，若N>N2，则返回Q1；否则，返回执行Q3；
Q5：判断N与N1的关系，若N≤N1，则返回Q1；若N>N1，则点亮背光板，20秒后关闭背光板，返回Q1。
3.根据权利要求1所述的一种基于红外感应的智能水表背光控制方法，其特征是，所述防尘盖触发红外光的检测方法包括以下步骤：
P1：令N＝0；
P2：红外发射管发射红外光，红外接收管对红外光进行接收，A/D转换器采样红外接收管的幅值；
P3：计算出此次的峰峰值Vpp(i)，用上次的峰峰值Vpp(i-1)与此次的峰峰值Vpp(i)作差得到ΔV，i＝i+1，并对ΔV进行判定：若ΔV<Vm，则N＝N+1，返回P2；若ΔV≥Vm，判断N与N3的关系，若N≥N3，则令Vt＝Vpp(i-1)，N＝0，i＝i+1，并进入P4；若N<N3，返回P1；
P4：红外发射管发射红外光，红外接收管对红外光进行接收，A/D转换器采样红外接收管的幅值，计算出此次的峰峰值Vpp(i)，用Vt与此次的峰峰值Vpp(i)作差得到ΔV，并对ΔV进行判定：若ΔV≥Vm，则N＝N+1，进入P5；若ΔV<Vm，则返回继续执行P4；
P5：判断N与N4的关系，若N≤N4，返回P1；若N>N4，则点亮背光板，20秒后关闭背光板，返回执行P1。
4.根据权利要求1所述的一种基于红外感应的智能水表背光控制方法，其特征是，所述背光板的控制方法包括以下步骤：
M1：计算背光板电量的总时间T，根据T计算背光板消耗的总电能E背光；
M2：对背光板消耗的总电能E背光进行比较判断，若E背光≥η2×E剩余电池，则进行背光储能耗光报警，并关闭背光板；若E背光<η2×E剩余电池，则进入M3；
M3：继续对背光板消耗的总电能E背光进行比较判断，若E背光≥η1×E剩余电池，则进行背光储能偏低报警，并返回执行M1；若E背光<η1×E剩余电池，则返回执行M1。
5.根据权利要求1所述的一种基于红外感应的智能水表背光控制方法，其特征是，所述屏蔽罩上设有开口，红外发射管发射的光线通过开口射出，经过反射后由另一个开口进入并由红外接收管接收。
6.根据权利要求1所述的一种基于红外感应的智能水表背光控制方法，其特征是，所述PCB板上设有系统控制电路，所述系统控制电路包括红外发射模块和红外接收模块，所述红外发射模块和红外接收模块连接有控制模块，所述控制模块与背光板相连。
7.根据权利要求6所述的一种基于红外感应的智能水表背光控制方法，其特征是，所述红外发射模块包括第一开关管和第一恒流电源，所述第一开关管的发射极与第一恒流电源负极相连，所述第一恒流电源的正极与红外发射管的正极端相连，所述红外发射管的负极端与第一开关管的集电极相连，所述第一开关管的基极与控制模块相连。
8.根据权利要求6所述的一种基于红外感应的智能水表背光控制方法，其特征是，所述红外接收模块包括电阻R1和A/D转换器，所述电阻R1的一端连接电源+VCC，所述电阻R1的另一端与红外接收管的正极端相连，所述红外接收管的负极端接地，所述电阻R1的另一端还与A/D转换器相连，所述A/D转换器与控制模块相连。
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